¿Cuáles son las aplicaciones y mediciones de los parámetros S? (Parte 2)
La Parte 1 de esta FAQ fue una introducción básica al contexto y concepto de los parámetros s. La parte 2 analiza su medición y aplicación y su relación con el dominio del tiempo.
P: ¿Cómo se miden realmente los parámetros s?
A: En general, excepto para mediciones aproximadas, no puede usar un analizador de espectro solo para esta prueba de dominio de frecuencia. En su lugar, hay dos clases específicas de instrumentos dedicados: el analizador de red, que puede configurar y medir los parámetros s escalares, y el analizador de red vectorial (VNA), que también mide los parámetros s vectoriales (reales e imaginarios) (Figura 1).
Hay diferentes instrumentos disponibles para una variedad de rangos de frecuencia máxima, como hasta 1 GHz, 10 GHz e incluso hasta decenas de GHz. Por supuesto, el costo aumenta con cada aumento en el rango. También hay analizadores de 4 puertos para circuitos diferenciales.
P: ¿Cuál es la configuración física que utiliza un VNA?
A: El VNA utiliza una onda sinusoidal precisa y barre la frecuencia a medida que un receptor de banda estrecha rastrea la respuesta de entrada barrida. Este receptor de banda estrecha logra un bajo nivel de ruido y un alto rango dinámico del VNA. Parece bastante simple, pero hay muchas sutilezas y complejidades en la arquitectura interna, los componentes y la realización de las mediciones. Como se muestra en (Figura 2), los parámetros S11 = A/R1 y S21=B/R1, y se determinan midiendo la magnitud y la fase de las señales de tensión incidente (R1), reflejadas (A) y transmitidas (B) cuando la salida termina en un Zo perfecto, la impedancia característica del sistema de prueba.
Debido a esta condición de configuración, se garantiza que R2 es cero, ya que no hay reflejo de una carga ideal. (Recuerde que S11 es equivalente al coeficiente de reflexión complejo de entrada o impedancia del DUT, y S21 es el coeficiente de transmisión complejo hacia adelante. Del mismo modo, colocando la fuente en el puerto 2 y terminando el puerto 1 en una carga perfecta (haciendo que R1 sea cero), se pueden hacer mediciones S22 (=B/R2) y S12 (=A/R2). (de nuevo, recuerde que S22 es equivalente al coeficiente de reflexión complejo de salida o impedancia de salida del DUT, y S12 es el coeficiente de transmisión complejo inverso.)
P: ¿Cuáles son algunos resultados típicos del parámetro s?
A: No hay resultados «típicos», pero es interesante observar algunos casos» idealizados » (Figura 3).
P: ¿Quién hace vNAS?
A: Hay muchos proveedores; entre ellos se encuentran Keysight, Anritsu, Rohde & Schwarz, Polar Instruments, Saelig Corp., National Instruments y Tektronix. También hay muchos proveedores menos conocidos de VNA para las frecuencias más bajas donde la tecnología y la calibración subyacentes de VNA no son tan complicadas (pero todavía son bastante avanzadas; es solo una comparación relativa). Un VNA independiente cuesta entre 5 5000 y 5 50,000 dependiendo de la frecuencia y el rendimiento.
Este analizador de red vectorial ENA Keysight E5061B ($29,000) maneja pruebas de hasta 3 GHz y cuenta con 120 dB de rango dinámico, una importante figura de mérito para obtener resultados precisos. Maneja arreglos de impedancia de 50 Ω y 75 Ω a través de los conectores clase GHz para los dos puertos del panel frontal (Figura 4).
También hay VNA que utilizan una caja frontal para las funciones de RF/microondas junto con un PC conectado a través de un puerto USB. Por ejemplo, el Tektronix TTR500 ($9,000) es un VNA de 100 kHz a 6 GHz con un rango dinámico de más de 122 dB, una potencia de salida de -50 a +7 dBm y un ruido de traza < 0,008 dB RMS (Figura 5).
En general, los VNA de alto rendimiento (determinados por el rango de frecuencia, el rango dinámico, el piso de ruido y otras especificaciones) se encuentran entre la clase más costosa de equipos de prueba de RF. Algunos VNA también pueden realizar una medición de reflectometría de dominio de tiempo (TDR), que permite la comparación y correlación con las mediciones de VNA.
P: Veo instrumentos de prueba llamados analizadores de red portátiles que se ofrecen por unos pocos miles de dólares, ¿puedo usarlos aquí?
A: Depende. La razón es que el término «analizador de red» también se refiere a un instrumento no relacionado que verifica el rendimiento de un enlace de datos o una red de datos y proporciona datos como la tasa de error de bits (BER) frente a SNR. Pero hay analizadores de red vectoriales de menor costo y robustecidos que pueden realizar las mediciones en el campo. Estos son utilizados por los técnicos de RF/microondas para la configuración, el ajuste y la solución de problemas, pero generalmente no son adecuados para los esfuerzos iniciales de diseño.
(Tenga en cuenta que el término «analizador de red» rara vez se abrevia como «NA», ya que también podría referirse a redes de comunicación o incluso parámetros ópticos como apertura numérica, mientras que el analizador de red vectorial a menudo se llama VNA, es solo una de esas cosas.)
P: Esto parece sencillo, pero el VNA, pero ¿cuáles son las realidades?
A: En primer lugar, cualquier medición de amplitud y fase a frecuencias más altas es desafiante y se vuelve más a medida que aumenta la frecuencia. Para los parámetros s, errores leves o desequilibrios en la disposición de medición pueden dar lugar a errores significativos en el resultado final; los resultados de la prueba son altamente sensibles a las imperfecciones de la prueba.
P: ¿cuáles son los tipos de errores?
A: Hay tres tipos amplios de errores de VNA: errores del sistema en el analizador y la configuración de la prueba; estos son consistentes y se pueden calibrar hasta cierto punto; errores aleatorios del ruido del instrumento (ruido de fase de fuente, ruido del muestreador, ruido IF, y más); y errores de deriva, que son causados principalmente por la variación de temperatura; también se puede quitar por calibración).
P: Además de desarrollar mejores instrumentos (velocidad, precisión, ruido), ¿qué se puede hacer?
A: Dado que las mediciones de los parámetros s son sensibles a errores internos, los VNA generalmente se usan con un accesorio de calibración especial, que consiste en una carga conocida.»No se trata de una simple resistencia u otro dispositivo pasivo. Es un accesorio cuidadosamente diseñado y diseñado con características conocidas, y está conectado al VNA a través de pares de cables emparejados eléctricamente, con conectores RF adecuados para la frecuencia de interés.
Con este accesorio, el VNA se puede calibrar e incluso los cambios en el rendimiento debido a la temperatura se pueden calibrar y compensar. Cada accesorio de calibración está diseñado para usarse hasta una frecuencia máxima, como los de frecuencias más altas son más costosos que los de frecuencias más bajas. Las configuraciones y secuencias de calibración pueden ser operaciones manuales, pero muchas ahora son operaciones automáticas que registran los resultados e implementan los factores de corrección necesarios.
Por ejemplo, el módulo de calibración electrónica RF Keysight 85096C está diseñado para funcionar de 300 kHz a 3 GHz (Figura 6); incluye conexiones de tipo N, 75 ohmios, 2 puertos y se puede rastrear a la calibración NIST. Consta de una interfaz USB para el control de PC junto con conmutación de estado sólido para que se pueda configurar según sea necesario durante el proceso de calibración.
P: Los parámetros S son para el dominio de frecuencia, pero mi trabajo también está relacionado con el dominio de tiempo-¿cuáles son mis opciones?
A: Hay dos opciones. Una es convertir los datos de frecuencia de la salida de VNA al dominio del tiempo a través de una transformada rápida inversa de Fourier (FFT). El otro es utilizar un osciloscopio y capturar los datos directamente en el dominio del tiempo a través de un osciloscopio de reflectometría de dominio del tiempo (TDR). Este instrumento utiliza una forma de onda de paso rápido (generador de paso) con un rebasamiento mínimo junto con un receptor de banda ancha (muestreador) para medir la respuesta de paso. También hay instrumentos combinados VNA/TDR, ya que gran parte de los circuitos y las interfaces físicas son similares.
P: ¿Qué es mejor: el VNA con FFT o el enfoque TDR?
A: La respuesta depende de muchos factores, como la frecuencia de interés, el ancho de banda, los niveles de ruido, el rango dinámico, por citar solo algunos.
P: Hubo alguna mención de la carta de Smith anteriormente; ¿cuál es la relación entre los parámetros s y la carta de Smith?
R: La gráfica de Smith es la representación gráfica más utilizada de la impedancia de un dispositivo de RF o canal versus frecuencia, y ha estado en uso desde mediados de la década de 1920. Aunque se trazó inicialmente en papel, por supuesto, ahora también se presenta en la pantalla de un instrumento VNA o TDR. Los parámetros s se pueden marcar directamente en el gráfico de Smith para obtener una visión significativa de los atributos de los componentes y del sistema (Figura 7).
Esta FAQ ha cubierto brevemente un tema muy complicado pero importante de los parámetros s y cuestiones relacionadas. Hay muchas buenas referencias disponibles que van desde tratamientos académicos y de libros de texto hasta notas de aplicación de proveedores, así como explicaciones informales y menos intensas.
Referencias en Línea de EE World
Correspondencia de impedancia y la carta Smith, Parte 1
Correspondencia de impedancia y la Carta Smith, Parte 2
Placas de circuitos impresos, Parte 4: Más allá de FR-4
Componentes pasivos de microondas, Parte 1: aisladores y circuladores
Componentes pasivos de microondas, Parte 2: acopladores y divisores
El analizador de interconexión rápida revela detalles de dominio de tiempo y frecuencia en una sola adquisición
Tracción de carga para dispositivos RF, Parte 2: Cómo y dónde
El analizador de redes Vectoriales de bajo costo cubre hasta 6 GHz
Los VNA obtienen dominio de tiempo actualizado, herramientas de diagrama de ojos
Otras referencias
- Electrical4U, «Parámetros híbridos o Parámetros h»
- Tecnologías Keysight, » Mediciones de parámetros S: Fundamentos para Ingenieros Digitales de Alta Velocidad»
- Actas de la Conferencia Aeroespacial IEEE, «Estimación de DoA de algoritmo de música para la ubicación de nodos cooperativos en redes móviles ad hoc»
- Sitio web IN3OTD, «Parámetros S del modelo LDMOS Mitsubishi RD16HHF1 de 50 MHz a 500 MHz»
- Microondas 101, «Parámetros S»
- Microondas Marki, «¿Cuál es el trato con los parámetros S?»
- De conformidad, » Tutorial de Parámetros S-Parte I: Fondo fundamental »
- Universidad del Sur de Florida (a través de la Universidad del Norte de Arizona),»Parámetros S «
- Tektronix, » ¿Qué es un Analizador de redes Vectoriales y cómo funciona?»